第26卷第6期可再生能源Vol.26 No.6 ，2008年12月Renewable Energy ResourcesDec.2008生物質(zhì)氣化的應(yīng)用與研究趙連臣，李曉偉，王貴路,李繼祥，張大雷(遼寧省能源研究所，遼寧營口15000)摘要:生物質(zhì)能是一種重要 的可再生能源,利用生物質(zhì)氣化技術(shù)能實現(xiàn)CO,的減排.節(jié)約常規(guī)能源符合可持續(xù)發(fā)展的要求。文章介紹了自1664年Thomas shirly進(jìn)行氣化試驗以來,歷經(jīng)幾百年的發(fā)展,牛物質(zhì)氣化T藝和相關(guān)氣化裝覺已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步:闡述了近幾十年來我國在生物質(zhì)氣化領(lǐng)域的發(fā)展歷程和取得的研究成果;對生物質(zhì)的氣化機(jī)理、氣化裝置結(jié)構(gòu)生物質(zhì)氣化技術(shù)的推廣與應(yīng)用.開發(fā)前景與經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);氣化技術(shù);氣化機(jī)理中圖分類號: S216.2; TK6文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號: 1671-5292(2008 )06- 0055-04The research and utilization on biomass gasificationZHAO Lian-chen, LI Xiao-wei, WANG Gui-lu, LI Ji-xiang, ZHANG Da-lei(Liaoning Institute of Energy Resources , Yingkou 115000,Cnina)Abstract: The biomass is a sort of renewable energies which could be used with gasification tech-nology to realize reducing of carbon dioxin emission and saving of the traditional energy resourcesfor the purpose of sustainable development. In this paper, authors have reviewed and studied sincethe early gasifying tests carried out by Themas Shirly in 1664 and a great progress had been ob-tained so far in the biomass gasification in the fields of the gasification mechanism within hundredsyears. And inter alia our country has emphasized on the development of biomass gasification tech-nologies and a deal of achievements had been received as well within recent 30 years. In the paper,the chemical process , structure & its optimization of gasification equipments, developmental futureand the economy well being have also been discussed on the basis of research achieves and devel-oping process.Key words: biomass; gasification technology ; gasification mechanism?前言年,Thomasshirley就進(jìn)行過簡單的氣化試驗|+1。生物質(zhì)能具有可再生、低污染、分布廣泛等特20年后,DeanClayton進(jìn)行了高溫氣化嘗試,用高點(diǎn),開發(fā)利用可再生資源是我國能源可持續(xù)發(fā)展溫?zé)峤夥ㄖ瞥隽嗣簹狻?792年,Murdock應(yīng)用氣化的一個主要方向"。以氣化方式實現(xiàn)低品位生物產(chǎn)物進(jìn)行照明。此后的100多年里,人們在這一領(lǐng)質(zhì)能源的深層次利用，減少礦物燃料的供應(yīng)量和.域內(nèi)不斷探索，做了大量的研究工作。1861 年，直接燃用礦物燃料給環(huán)境帶來的嚴(yán)重污染，對提Siemens式氣化爐正式投放市場，該產(chǎn)品的出現(xiàn)，高農(nóng)村生活水平、改善生態(tài)環(huán)境、保障國家能源安在氣化技術(shù)研究領(lǐng)域最具有突破意義。至此,氣化全等具有重要意義4.3。技術(shù)作為一項能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，已被人們認(rèn)可和接1國內(nèi)外的研究歷 史及現(xiàn)狀受,并走上了進(jìn)一步發(fā)展的道路。生物質(zhì)氣化技術(shù)有著悠久的歷史,早在166420世紀(jì)30年代末到50年代初，在歐洲及其收稿日期: 2008-02-10作者簡介;趙連臣(1968-).男，高級工程師，主要從事CDM椎廣工作。E-mail:bjb2@Inenys.com.55.可再生能源.2008 .26(6)殖民地有數(shù)萬個小型氣化爐在運(yùn)行(其中法國床和流化床氣化爐得到了不同程度的開發(fā)和應(yīng)用。4500個，,意大利2000個)。隨著石油冶煉、運(yùn)輸2氣化原理與裝置技術(shù)的進(jìn)步和前蘇聯(lián)、美國、中東石油大舉進(jìn)人市2.1氣化原理”場，石油價格不斷下降，石油被廣泛地應(yīng)用于生氣化的基本原理是被氣化物所含的周體碳，活、生產(chǎn)中,生物質(zhì)氣化技術(shù)因此在歐美等發(fā)達(dá)國在特定的條件下向一氧化碳轉(zhuǎn)化的熱化學(xué)過程。家基本失去了市場。第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后,化石因此,生物質(zhì)氣化技術(shù)包含2個內(nèi)容,即熱化學(xué)過能源被大量地應(yīng)用于軍事，石油危機(jī)也因此而出程和保證熱化學(xué)過程順利進(jìn)行所需條件的裝置?，F(xiàn),人們認(rèn)識到化石能源不可再生、分布不均的弱熱化學(xué)過程是相當(dāng)復(fù)雜的，下述化學(xué)反應(yīng)式可以點(diǎn)會制約國家的安全和發(fā)展，于是生物質(zhì)氣化技近似地描述該過程"0:術(shù)作為一種穩(wěn)定的、可靠的能源開發(fā)技術(shù)被重新C+02←+C02+394 kJ(1)提上日程,并且發(fā)展迅速。20世紀(jì)70年代,美國、C+CO2←+2C0-172kJ(2)日本、加拿大、歐盟等開始了生物質(zhì)熱裂解氣化技H20+C0←+C2+H2-2.89 kJ(3)術(shù)的研究與開發(fā)，到20世紀(jì)80年代，美國已有H20+C←→C0+H2-175 kJ(4)19家公司和研究機(jī)構(gòu)從事生物質(zhì)熱裂解氣化技C+2H←+CH+75 kJ(5)術(shù)的研究與開發(fā)，美國可再生能源實驗室和夏威在上述5個化學(xué)反應(yīng)式中,式(1)是至關(guān)重要夷大學(xué)還進(jìn)行了生物質(zhì)燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的,通過式(1)的氧化反應(yīng)所放出的熱量使?fàn)t內(nèi)的(BIGCC)的研究間。荷蘭twente大學(xué)進(jìn)行了流化床溫度升高，保證其余反應(yīng)能夠順利進(jìn)行。試驗表氣化器和焦油催化裂解裝置的研究，推出了無焦明，溫度是衡量氣化過程進(jìn)行順利與否的一個重油氣化系統(tǒng)，還開展了將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高氨燃?xì)?、要影響因素。要使氣化過程順利地進(jìn)行,能量的供生物質(zhì)油等高品質(zhì)燃料的研究,并結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)、給是必不可少的，裝置內(nèi)反應(yīng)區(qū)的溫度對氣體中斯特林發(fā)動機(jī)、燃料電池等轉(zhuǎn)換方式，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)可燃成分的比例以及氣化強(qiáng)度有重要影響。隨著化為電能。在應(yīng)用方面,國外的生物質(zhì)氣化技術(shù)和反應(yīng)溫度的升高,氣化速率隨之加快,CO2含量減裝置大多實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)業(yè)經(jīng)營，美國的生物質(zhì)少，可燃成分增加。如將上述5個化學(xué)反應(yīng)式相能消耗量占其一次能源消耗量的4%，瑞典占加,則得:16%，奧地利占10%。 在美國,生物質(zhì)發(fā)電的總裝4C+O2+2H20- +CO2+2C0+CH4+121kJ (6)機(jī)容量已超過10000 MW ,單機(jī)容量達(dá)10-25 MW。式(6)表明,當(dāng)75%的C元素被氣化為可燃我國在生物質(zhì)氣化技術(shù)研究領(lǐng)域起步較晚，氣體后 ,余下的121 kJ熱量已不足以驅(qū)動反應(yīng)式雖然在20世紀(jì)40年代就開發(fā)出用木炭氣化爐產(chǎn)(2), (4)的進(jìn)行,而反應(yīng)式(3),(5)因為沒有CO,氣驅(qū)動汽車的技術(shù)，但是由于種種原因生物質(zhì)氣H2也不能進(jìn)行，因此氣化效率的最高值為75%左化技術(shù)未能取得進(jìn)- - 步發(fā)展。直至20世紀(jì)80年右，余下的熱量主要消耗在空氣和原料的升溫過代,受能源緊張和環(huán)境問題的影響，我國才重新開程中，氣體和灰分也帶出了大量的熱。始了生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究工作，并建立了一支2.2氣化裝置專門從事生物質(zhì)氣化技術(shù)研究的隊伍，其中中國完成氣化反應(yīng)的裝置稱作氣化爐。按床體的科學(xué)院廣州能源研究所.中國農(nóng)機(jī)院、山東省科學(xué)結(jié)構(gòu)可將氣化爐分為固定床氣化爐和流化床氣化院能源研究所、中國林科院林產(chǎn)化工研究所、遼寧爐2種。根據(jù)原料與氣化劑在爐內(nèi)的走向，可將固省能源研究所等單位在各自的研究領(lǐng)域中做出了定床氣化爐分為上吸式、下吸式.橫吸式、開心式自己的貢獻(xiàn)。1981 年，由江蘇省糧食局與紅巖機(jī)4種形式。表1為上吸式氣化爐爐內(nèi)的分區(qū)情況。器廠聯(lián)合研制成功了我國第1臺160kW稻殼氣圖 1是上吸式氣化爐的示意圖，按反應(yīng)溫度可將化發(fā)電裝置; 1998年，第1臺功率為1 MW的循氣化過程分為4個階段,4個氣化階段在爐體內(nèi)4環(huán)流化床氣化裝置與內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組配套的稻殼個不同區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。由于結(jié)構(gòu)不同,各種氣化爐的氣化發(fā)電機(jī)組在福建莆田華港米業(yè)公司的碾米廠分區(qū)情況有所不同,流化床爐內(nèi)溫度均衡,其內(nèi)部成功運(yùn)行。在這20多年里,多種較為成熟的固定分區(qū)情況不十 分明顯。.56.趙連臣,等生物質(zhì)氣化的應(yīng)用與研究表1上吸式氣化爐氣化反應(yīng)分區(qū)情況可用于藥品、果品、茶葉、谷物的烘干。實踐表明,Table 1 Temperature distribution in updraft gsifer生物質(zhì)氣化氣用于干燥,具有火力強(qiáng)、升溫快的特反應(yīng)溫度/C反應(yīng)類型反應(yīng)過程干燥區(qū)100-200物理過程 濕生物質(zhì)+熱量干生物質(zhì)+水氣點(diǎn),與電或蒸汽等熱源相比,具有明顯的節(jié)支、節(jié)熱解區(qū)200-500干餾過程 干生物質(zhì)+熱量→焦炭+C02+CO+能效果。氣化爐還可與專用小型鍋爐匹配,為中小還原反應(yīng)H0+CH4+C+C;H+焦油+焦 木酸企業(yè)供暖,經(jīng)濟(jì)實用;生物質(zhì)氣化氣也可用于農(nóng)村氯化區(qū)800-1200氧化反應(yīng) C+O+HL0O →2CO+H+C0+熱量集中供氣，如遼寧省能源研究所研制的生物質(zhì)氣還原區(qū)500-800還 原反應(yīng)CO+C-+C0,C+2H2 +CH化集中供氣供暖系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，極大地改↓原料善了農(nóng)村地區(qū)的衛(wèi)生環(huán)境和居民的生活水平。(2)氣化發(fā)電酸除本分生物質(zhì)氣化氣經(jīng)凈化后可用于發(fā)電。在我國，生物質(zhì)<賽發(fā)分氣化發(fā)電技術(shù)已進(jìn)人實用階段。須要強(qiáng)調(diào)的是,低C+H0 -H+CO熱值燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的研制尚不能滿足實際需求,其原因主要是投資高,效益不明顯,因此使科研工作300100 7w 500 300監(jiān)度T(KI的深度和廣度一時難如人意。這項技術(shù)的進(jìn)展將圈1上吸式氣化爐示意圈為電力缺乏或國家電網(wǎng)無法達(dá)到的地區(qū)，提供一Fig.l Schemetic of updraft gasifer個新的選擇。氣化爐爐型不同，其生產(chǎn)性能和產(chǎn)氣用途也4開發(fā)前景與經(jīng)濟(jì)效益不盡相同。一般來說,直接燃燒對氣體質(zhì)量要求較利用生物質(zhì)能可以實現(xiàn)CO2的零排放,從根低,氣化發(fā)電對氣體質(zhì)量要求較高,特別是對氣體本上解決使用化石能源帶來的溫室效應(yīng)問題。開內(nèi)焦油含量要求較為嚴(yán)格(表2)。發(fā)利用生物質(zhì)能有利于改善生態(tài)環(huán)境，不會遺留表2不同構(gòu)造的氣化爐的主要性能指標(biāo)有害物質(zhì)或改變自然界的生態(tài)平衡，對人類的可Table 2The main characeristics of gasiliers of dfferent structure持續(xù)發(fā)展具有重要意義，很多國家把生物質(zhì)能利氣化爐類型上吸式下吸式層式流化床用技術(shù)作為一項重要的能源技術(shù)來發(fā)展。原料粒度/mm 5 -10020-100 40-80<10我國農(nóng)村地區(qū)目前仍以生物質(zhì)能為主要能原料含水率/% <60<1<<20熱效率低中源,能源轉(zhuǎn)換技術(shù)落后,效率低下且污染環(huán)境,農(nóng)生產(chǎn)強(qiáng)度高很高民生活質(zhì)量難以提高,迫切要求改善燃料結(jié)構(gòu),提氣化焦油含量最少較高高能源利用效率。我國生物質(zhì)能資源極為豐富,每氣體用途直接燃燒燃燒、發(fā)電發(fā)電發(fā)電、供氣年秸稈產(chǎn)量約6億t,相當(dāng)于4億t標(biāo)準(zhǔn)煤。薪柴3生物質(zhì)氣化技術(shù)的推廣 與應(yīng)用和林業(yè)廢棄物數(shù)量也很大,僅林業(yè)廢棄物(不包括我國農(nóng)林生物質(zhì)資源十分豐富，農(nóng)作物秸稈薪炭林)的產(chǎn)量就達(dá)3700萬m/a,相當(dāng)于2000總產(chǎn)量約6億ta,除用于造紙、畜牧飼料、還田肥萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。如果考慮日益增多的城市垃圾、生活料、工業(yè)原料及炊事燃料外，可作為能源加以利用污水、禽畜糞便等其它生物質(zhì)資源,我國每年的生的秸稈總量約3億tll"。此外,還有許多以生物物質(zhì)資源量達(dá)6億t標(biāo)準(zhǔn)煤以上。由于這些廢棄質(zhì)為原料的各類生產(chǎn)企業(yè)，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大物品位低,分布面廣,往往被隨地堆放或燒毀,既量的生物質(zhì)廢棄物。生物質(zhì)廢棄物的有效利用,對浪費(fèi)資源又危害環(huán)境。如應(yīng)用生物質(zhì)氣化技術(shù)將防止污染,回收資源,改善環(huán)境具有重要意義。生這些生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺荒茉醇右岳?對物質(zhì)氣化氣是一種低熱值可燃?xì)?，主要?個應(yīng)緩解能源緊張,改善生態(tài)環(huán)境將起到重要作用。因用領(lǐng)域。此,生物質(zhì)氣化技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景。(1)直接用作燃料5存在的問題和對 策生物質(zhì)氣化氣可用于木材干燥,氣化氣燃燒產(chǎn)5.1 氣化氣成本問題生的干熱氣體直接進(jìn)入干燥窯烘千木材，無需換由于供氣規(guī)模較小，生物質(zhì)氣化輔助系統(tǒng)的熱設(shè)備,比老式窯爐節(jié)能50%以上,與換熱器匹配投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣化系統(tǒng)的運(yùn)行成本，從而使得氣.57.可再生能源2008 .26(6)化氣的成本較高,與現(xiàn)有的煤氣相比優(yōu)勢不明顯。應(yīng)器試驗研究[J化學(xué)T程.2003( 10):26-31.要降低氣化氣的生產(chǎn)成本，一是盡可能提高氣化2] 閆麗珍.閔慶文。成升魁中國農(nóng)村生活能源利用與生氣的熱值,二是擴(kuò)大氣化氣的供氣規(guī)模。物質(zhì)能開發(fā)|資源科學(xué).2005<(1):8-13.[31 鄧立新生 物質(zhì)的潔凈轉(zhuǎn)化和綜合利用J.化學(xué)教育,5.2焦油問題2004(2):10-12.焦油是影響氣化氣使用的最大障礙。氣化氣[4] ALBRECHT KAUPP JOHN R.Goss small scale gas中存在焦油，不但使氣化發(fā)電系統(tǒng)與供氣系統(tǒng)無prnducer -enpgine systems|M]. W ieshuden:V ieweg.1984.法長期穩(wěn)定運(yùn)行,還會引起二次污染。徹底解決焦[5] L P WHITE. K G PLASKETT.Biomass as fullM].Lon-油問題的方法就是把焦油裂解為永久性氣體。目don: Academie press,1981.前已有焦油熱裂解與催化裂解的試驗，但距實際[6] W PAIZ. P CHARTIFR. Energy from biomass in Eu-應(yīng)用仍有一段距離。rope[Ml.london: Greal Briain Press,1980.5.3二次污染問題[7] W RAMSAY SMITH. Energy from forest biomass([M],生物質(zhì)氣化發(fā)電在經(jīng)濟(jì)上有較大優(yōu)勢,但灰New York: Academie Press, 1982.及廢水污染問題仍沒有徹底解決，成為推廣氣化[8] C0OK J,BEYEA J. Bioenergy in the Uniled States:propgtess and pssilitisi J].Biomass and Bioenergy,發(fā)電技術(shù)的主要障礙?；椅廴締栴}的處理辦法比200.18.441-445.較簡單，只要提高氣化效率,并對灰進(jìn)行煅燒處[9] 張百良.農(nóng)村能源 I程學(xué){M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,理,即可消除灰污染。水洗除焦產(chǎn)生的廢水則比較1999.難處理,根本方法就是減少焦油的產(chǎn)生。[10]馬降龍生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應(yīng)川[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2003.參考文獻(xiàn):[I中國農(nóng)機(jī)學(xué)會科技交流中心農(nóng)作物秸稈利用技術(shù)與[川| 米鐵.張春林.劉武標(biāo)，等.流化床作為生物質(zhì)氣化反設(shè)備|M.北京:農(nóng)業(yè)出版社, 1996.(上接第54頁)[12] FREDA R H, INES H, GODFREY K, el al. 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Binlogical hydrogen production in a沼氣池超過500萬口。UASB reactor with granules l:yscochemiral charac-實踐證明,發(fā)展農(nóng)村沼氣工程,既能有效解決農(nóng)民↓teristics of hydrogen-produring granules[J).Biotechnol-生活能源問題,又能獲得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的有機(jī)肥料,改↑ogy and Bioengineering 2006.94(5):980-987.{10) REN N, WAN(; B, MA F. Hydrogen bhio-pnduction of善農(nóng)村人居環(huán)境,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社↑c(diǎn)arbohydrate fermentation by anuerobie artivated sludpe. 會效益。農(nóng)村使用沼氣效果突出,受到廣大農(nóng)民的普遍proress[Al. Water environment 68th annual confer-↑歡迎。下一步各級農(nóng)業(yè)部門將迅速行動,采取措施,加ence[CI. Miami Beach: w ater environment federal,!快農(nóng)村沼氣工程建設(shè)進(jìn)度。同時,加快推進(jìn)農(nóng)村沼氣服1995.145-153.↓務(wù)體系建設(shè),以扶持建設(shè)鄉(xiāng)村服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)為重點(diǎn),構(gòu)建包↓[叫APHA. Standard methods for the examinaion of eater↑括實訓(xùn)基地、服務(wù)站和服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)為主要內(nèi)容的較為完and waste water |M]. [ asington DC; Ameriean Pu blic善的沼氣服務(wù)體系,到2010年使服務(wù)能力覆蓋70%以Health Asociation,1995.↓上的沼氣農(nóng)戶。(摘自新華網(wǎng))●58.